CN104539852A - 一种适合瞬间高亮场景的瞬置式自动曝光方法 - Google Patents

Abstract

本发明针对传统自动曝光算法只能适应普通亮度变化较少的场景，而对高亮环境调整时间长、不能有效拍摄目标的问题，提出一种瞬置式实时自动曝光算法。该自动曝光方法包括以下步骤：相机加电后，设置理想目标灰度；在预拍阶段运行过饱和判断机制；当未检测到过饱和时，则认为是正常场景，指向常规的自动曝光算法，直到数据输出；当检测到过饱和时，则认为出现高亮场景，直接将曝光值和增益值调整为最小，然后在此基础上按照常规的自动曝光算法调整，直到调整到最佳位置，完成数据输出。

Description

一种适合瞬间高亮场景的瞬置式自动曝光方法

技术领域

本发明涉及一种兼顾正常场景和瞬间高亮场景的自动曝光控制方法。

背景技术

在CCD/CMOS图像传感器成像过程中，对于同一场景成像时，图像的亮度受到三个因素的影响：光通量、曝光时间和图像增益；其中光通量的大小由光学物镜的光圈值确定，曝光时间的长短决定了进行一帧图像的光电转换的时间，图像增益则可控制电信号的放大系数。

曝光量是用来计算从被拍摄物到达相机光通量大小的物理量。而到达CCD/CMOS传感器的光通量大小主要由两方面因素决定：曝光时间的长短以及光圈值的大小。在光圈一定的情况下，合适的图像亮度可以通过改变曝光时间的长短或改变图像传感器增益来实现，但是增益的变化相应的会给图像引入噪声，使得后续处理工作复杂化。曝光时间可以通过测量被拍摄物体亮度来进行计算得到。

曝光时间计算公式：

$t=\frac{4k^{2}H}{\mathrm{\Π}{\mathrm{BK}}_a}$

式中：B—景物的最小亮度；

k—光圈系数；

Ka—物镜透过率；

H—相机本身的曝光量

在系统中可通过图像处理的方法来进行曝光量计算。依据该公式可以首先估算不同情况下的曝光时间，来整定算法中的部分参数。

自动曝光控制模块接收相机输出的图像数据，在预拍阶段对图像特征区域进行灰度统计，将统计结果与阈值比较，决定是增大还是减小曝光时间，重新配置相应的寄存器数值，除了重新设置曝光时间外，必要的时候也可以改变增益，但增大放大倍数会引入噪声，降低系统信噪比。

自动曝光控制模块主要包括灰度统计和曝光时间调整两个子模块，结构框图如图1所示。

如果灰度统计模块计算得到的整幅图像的平均灰度在设置范围内，相机曝光时间就无需改变，如果大于预设值则需要在本帧曝光时间基础上减小曝光时间，相反如果小于预设值则需要在该基础上增大曝光时间(曝光值)。这样就构成一个图像采集->灰度统计->曝光时间调整闭环控制系统。

常规的自动曝光算法(包括曝光值计算和增益值计算)采用的是定步长或变步长的步长迭代法，这种方法设计比较简单，工程实现也相对容易。以曝光时间的控制为例(增益值的计算同理)，通常是一个增量式调节器。即：

EX_T＝EX_T+ΔT

增量式调节器可以采用比例调节器、PID调节器及二次方调节器，具体选择时权衡计算速度、逻辑资源使用及整个系统程序的时序要求。以比例调节器为例：

ΔT＝kx

其中：x＝Expectation_gray-Aver_gray，Expectation_gray图像期望灰度，Aver_gray实时图像平均灰度。

根据光电成像理论知：当目标场景一定时，曝光量与曝光时间成正比；在目标照度低于饱和值时，曝光量与图像灰度成正比。如果系数k设置较大，在调整过程中有可能会跨越期望灰度值而出现振荡，如果k设置较小，会使得调整时间加长。而且对于不同照度曝光时间调节变化率差别也很大，照度较大时接近期望灰度曝光时间调节量较小，照度较小时接近期望灰度曝光时间调节量较大。因此在程序中设置变量记录调整前后状态差别，根据该差别改变系数k。

但是无论采用何种发放调整K值，为了兼顾不出现超调现象，在接近目标灰度时，都会将步长放小，逐步接近目标值，这样的缺点是需要迭代的次数较多，收敛比较慢，在场景变化不大的正常情况下，可以采用此种方法，但是当场景出现瞬间高亮的情况，效果就不太理想，如在一次拍摄爆炸场景的情况下，而且此种情况持续12幅，才能调整到合适的曝光时间。因此对于类似的情况需进行特殊的曝光方法。

发明内容

本发明针对传统自动曝光算法只能适应普通亮度变化较少的场景，而对高亮环境调整时间长、不能有效拍摄目标的问题，提出一种瞬置式实时自动曝光算法。

本发明的解决方案如下：

一种适合瞬间高亮场景的瞬置式自动曝光方法，包括以下步骤：

相机加电后，设置理想目标灰度；

在预拍阶段运行过饱和判断机制；

当未检测到过饱和时，则认为是正常场景，指向常规的自动曝光算法，直到数据输出；

当检测到过饱和时，则认为出现高亮场景，直接将曝光值和增益值调整为最小，然后在此基础上按照常规的自动曝光算法调整，直到调整到最佳位置，完成数据输出。

这里所说的常规的自动曝光算法参见前述背景技术，主要指步长迭代法(增量式调节器)。

上述过饱和判断机制如下：

计算平均灰度，并对饱和像素数进行统计；

只要满足以下三个条件之一，即判定为过饱和：

a)饱和像素数之和与总像素数的比值大于设定值；

b)平均灰度大于设定值；

c)当前帧的饱和像素大于前一帧的饱和像素数超出设定值。

关于平均灰度的计算，可以采用全画面灰度统计，其中最好对全画面作黑背景剔除，灰度值小于设定值(即认定的“黑背景”灰度值)的区域不参与灰度统计。

以上三个条件具体的最佳参数设定为：

a)饱和像素数之和大于总像素数的15％；

b)平均灰度>235；

c)当前帧的饱和像素大于前一帧的饱和像素数的2倍。

理想目标灰度可以设置为80。

本发明的技术效果如下：

本发明通过在预拍阶段运行过饱和判断机制，判定高亮场景，直接将曝光值和增益值调整为最小，然后在此基础上再运行常规的自动曝光算法，大幅减少了步长迭代次数，实现了瞬间高亮场景的快速调整。

本发明的主体仍是常规的自动曝光方法，因此不会对普通场景的曝光调整造成影响。

本发明可以根据具体应用、具体需要对部分参数做相应调整。

附图说明

图1为自动曝光控制原理示意图。

图2为本发明的瞬置式自动曝光控制方法的示意图。

具体实施方式

本实施例的主要流程如图2所示。

相机加电后，在正常环境中将理想目标灰度设置为80，保证得到较好的成像，使用过饱和判断机制，当未检测到过饱和时，认为是正常场景，指向正常的自动曝光算法，直到数据输出；

当检测到过饱和时，认为出现高亮场景，直接对曝光值和增益值进行调整，调整为最小，此时由于目标的特性不一致，可能会出现过暗场景，因此在此基础上再次进行正常的自动曝光算法调整，直到调整到最佳位置。

在次过程中关键的一步是过饱和检测，首先分别进行灰度统计和饱和像素数统计，基于这两个结果判定饱和状态。

其中灰度统计：计算平均灰度，采用全画面灰度统计，其中须对全画面作黑背景剔除，灰度值小于设定值(即认定的“黑背景”灰度值)的区域不参与灰度统计。

只要满足以下三个条件之一即判定为过饱和，认为是瞬间过亮场景：

a)饱和像素数之和大于总像素数的15％；

b)平均灰度>235；

c)当前帧的饱和像素大于前一帧的饱和像素数的2倍。

经过实际试验测试，分别使用传统步进式算法相机，和改进的瞬置式算法相机对同一爆炸场景进行拍摄，步进式自动曝光算法需要12帧的时间才能将曝光时间调整到合适位置。瞬置式自动曝光算法可以在2帧的时间将曝光时间调整到合适位置。

本发明可应用于各种基于CCD或CMOS的光电成像设备，用于适应具有瞬间高亮的场合，如爆炸，点火，瞬间分离等场景，同时不会对普通场景造成影响，只有出现瞬间高亮时，此算法发挥作用，1～2帧的时间即可调整至有效状态，待高亮场景结束时，可恢复至普通状态。

Claims (5)

1.一种适合瞬间高亮场景的瞬置式自动曝光方法，包括以下步骤：

相机加电后，设置理想目标灰度；

在预拍阶段运行过饱和判断机制；

当未检测到过饱和时，则认为是正常场景，指向常规的自动曝光算法，直到数据输出；

当检测到过饱和时，则认为出现高亮场景，直接将曝光值和增益值调整为最小，然后在此基础上按照常规的自动曝光算法调整，直到调整到最佳位置，完成数据输出。

2.根据权利要求1所述的瞬置式自动曝光方法，其特征在于：所述过饱和判断机制如下：

计算平均灰度，并对饱和像素数进行统计；

只要满足以下三个条件之一，即判定为过饱和：

a)饱和像素数之和与总像素数的比值大于设定值；

b)平均灰度大于设定值；

c)当前帧的饱和像素大于前一帧的饱和像素数超出设定值。

3.根据权利要求2所述的瞬置式自动曝光方法，其特征在于：所述平均灰度的计算，采用了全画面灰度统计，其中须对全画面作黑背景剔除，灰度值小于设定值的区域不参与灰度统计。

4.根据权利要求2所述的瞬置式自动曝光方法，其特征在于：

所述三个条件具体分别为：

a)饱和像素数之和大于总像素数的15％；

b)平均灰度>235；

c)当前帧的饱和像素大于前一帧的饱和像素数的2倍。

5.根据权利要求4所述的瞬置式自动曝光方法，其特征在于：所述理想目标灰度设置为80。